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(3)挤压加工灵活性大,只需要更换模具等挤压工具即可在一台设备上生产形状,规格和品种不同的制品,更换挤压模具的操作简便快捷,费时少,工效高。
随着工艺水平的提高和模具质量的改进,现已能生产壁厚为0.6
0.10mm,超薄,超高精度,高质量表面的型材。
这不仅大大减少总工作量和简化后步工序,同时也提高了被挤压金属材料的综合利用率和成品率。
1.5挤压模具设计的目的和意义
目的:
挤压模具课程设计是让学生熟悉所学知识,掌握挤压成形的基本原理;
掌握挤压模具设计过程;
能够综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题。
课程设计是锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
意义:
本次关于挤压模具设计具有重要的意义。
首先,好的挤压模具能够保证产品的质量,提高生产率,降低生产成本,并增加产品的使用寿命,所以本次课程设计十分必要;
其次,通过本次课程设计使自己掌握了常用挤压模具的设计过程和计算方法,加深了自己对专业知识的理解和掌握,培养了自己查阅资料、运用软件制图以及团队协作等各方面的能力;
最后,此次课程设计,让我发现了自己的不足,使自己在以后的学习生活中,有机会完善自己,为以后的学习和工作打下了坚实的基础。
第二章模孔布置
采用多孔棒材模时,金属流动要比单孔模均匀,故可减少中心缩尾形成的几率。
但是,如果模孔排列不当,会使挤出的制品长短不齐,增加几何废料,恶化表面质量;
如果模孔靠近挤压筒边缘,也会使制品表面产生起皮、分层等缺陷。
此外,多模孔过于靠近挤压筒边缘时由于内侧金属供应量大、流动速度快,而外侧由于金属供应量不足,流动速度慢,会造成制品出现外侧裂纹;
当模孔太靠近挤压筒中心时,外侧金属供应量大于内侧,则制品易出现内侧裂纹。
故应将多孔模模孔的理论重心均匀地分布在距模具中心和挤压边缘有适当距离的同心圆周上。
多模孔的同心圆直径
与挤压筒直径Dt之间的关系可以按以下经验公式来确定:
=
(2-1)
式中:
多孔模模孔断面中心分布的同心圆直径;
Dt挤压筒内径;
n模孔数目(n2);
经验系数,一般取2.5~2.8;
n值较大时取下限,挤压筒内径大时取上限,一般取2.6。
根据上式,取=2.5,计算
。
通过上式求出后,还必须考虑节约模具钢材和工模具规格的系列化及互换性(如模垫、导路的通用性等),再对
进行必要的调整。
第三章模孔工作带长度
工作带又称定径带,是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段,也是模孔重要的组成成分。
正确选择工作带长度h有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。
工作带长度h的选择应根据挤压机的结构形式(立式或卧式)、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定。
若工作带长度h太长,则挤压金属材料易粘结在工作带表面,使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷,同时增大模具与被挤压金属的摩擦力,金属流速变慢,增大挤压力等现象。
工作带长度h的确定原则如下:
1)工作带的最小长度,应按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定。
一般最短1.5~3mm。
2)工作带的最大长度,是按照挤压时金属与工作带的最大有效接触长度来确定。
铜及铜合金一般最长不超过15~20mm。
3)挤压型材的模具工作带长度取值时,应视情况不同而有所区别。
通常情况下,一些简单断面实心型材,如壁厚角形、丁字形、工字形之类,模孔各部位的工作带长度可以是相同的,一般取值为2~8mm;
而对于建筑型材,因挤压比大,挤压速度快,制品长度较长,即使是等截面等壁厚的情况,模具工作带取值也应不相同,要参照生产实际经验确定。
4)断面形状复杂、壁厚不等的型材,工作带长度应根据壁厚变化不同而设计各对等的h值。
挤压有色金属时,一般取值为2~9mm。
另外黄铜、紫铜、青铜为8~12mm。
白铜、镍合金为3~5mm。
稀有难熔金属为4~8mm。
在挤压铜、镁合金圆棒时,模孔的工作带长度可根据棒材的直径确定如表3-1。
表3-1模孔工作带长度
棒材直径/mm
模孔工作带长度/mm
<
40
2~3
40~70
4
70~120
5
130~280
6~8
已知棒材直径为8mm,所以这里选取模孔工作带长度为2mm。
第四章模具结构设计与尺寸
4.1模孔尺寸的确定
模孔尺寸的确定主要考虑挤压制品的金属成分、断面形状、尺寸偏差、各部位几何形状特点和型材的冷却收缩量、张力矫直时的断面收缩量等因素的综合影响来进行设计或计算确定。
若用A表示模孔长度,则用以下算式对棒材模进行计算:
(4-1)
A0棒材断面的名义尺寸,圆棒A0为直径;
k模孔裕量系数,见表4-1。
由表3-1查得,k=1.0~1.2,取k=1.0,则A0=8mm,A=8(1+1.0%)mm=8.08mm。
表3-1不同金属模孔裕量系数k/%
金属种类
孔裕量系数k
紫铜
1.5
黄铜
1.0~1.2
青铜
1.7
L1~L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等
LF5,LY11,LY12,LD5,LD8,LC4等
0.7~1.0
MB1,MB2,MB15
高镁合金
4.2模具材料的确定
模具的寿命不仅与挤压工艺、模具设计制造工艺过程有关,而且还与模具的材质选择有重要的关系。
对于热挤压模具的材质,必须具备以下条件:
(1)具有足够的高温强度。
即模具能承受高温、高压作用,不发生屈服变形和断裂,保证挤压制品获得所需尺寸精度。
(2)具有良好的抗磨损性能。
即在高温、强摩擦的挤压条件下,模具材料能抵抗金属制品长时间的、高速的、激烈的摩擦作用,而不过早出现磨损,尤其对模具工作带表面更显重要。
(3)具有足够高的抗疲劳性。
在挤压过程中,模具能承受周期性循环载荷作用而不发生断裂损坏,因此,模具材料必须具备良好的抗冲击韧性。
(4)具有良好的导热性能。
热挤压模具处于高温挤压变形过程中,由变形金属产生的大量变形热及模具与变形金属之间产生的摩擦热,直接传递给模具导致温度升高,为防止模具局部出现“过烧”现象,模具材料应具有良好的导热性能,能向外快速地散发热量。
(5)具有良好的热处理淬透性和可氮化性。
即模具材料在热处理过程中,应保证模具的强度、力学性能均匀一致。
同时,模具在使用过程中,可多次进行表面氮化处理,提高模具表面强度的耐磨性。
除此之外,模具材料还应具有良好的抗回火稳定性,良好的抗腐蚀性,较低的膨胀系数,良好的工艺制造性能,以及价格的合理性等。
由表4-2,可选取4Cr5MoSiV1作为模具的材料。
4Cr5MoSiV1模具钢,是近年来国内外广泛用于热挤压制品的一种模具材料,其特点是:
具有良好的抗疲劳性能和综合机械力学性能,同时又具有良好的热处理淬透性。
表4-2热挤压模具材料选择
挤压件材料
模具材料
硬度(HRC)
铝、镁合金
4Cr5MoSiV1
47~51
4Cr5MoSiV
铜和铜合金
42~44
4Cr3Mo3SiV
5Cr4W2Mo2SiV
3Cr2W8V
4Cr4W4Co4V2Mo
钢
4Cr5MoSiV14Cr
44~48
3Mo3SiV
4.3模具外径D的设计
为了便于制造和更换,模具外径可标准化与系列化。
模具外径尺寸标准化、系列化的必要性有三个方面:
减少模具设计与制造的工作量,降低产品成本,缩短生产周期,提高生产效率;
通用性大,互换性强,只需要配备几种规格的模支撑和模架,可节约模具钢材,容易备料,便于维修和管理;
标准化有利于提高产品的尺寸精度。
因此,对于一台挤压机来说,模具外径最好根据挤压机配备各种规格的挤压筒,有1~3中规格为宜。
表4-3所示为棒材模具外形尺寸。
因设计条件为在19.6MN挤压机的200mm挤压筒上生产8mm的圆棒线材,所以取模具的外圆直径D1为198mm。
表4-3棒材模具外形标准尺寸
挤压机能力/MN
挤压筒直径/mm
D1/mm
H/mm
7.35
11.76~14.7
19.6
34.3
49
122.5
196
85,95
115,130
170,200
270,320,370
300,360,420,500
420,500,650,800
650,800,1100
113,132
148
198
230,330
270,306,360,420
300,420,570,670,880
570,670,900,1000
16,32
32,50,70
40,60,80
60,80
60,80,120,150
80,120,150,200
3
6
6,10
10,15
4.4模具厚度H
模具厚度H应根据被挤压合金的变形抗力(即挤压力)的大小来考虑。
在保证模具组件(模具、模垫、垫环等)有足够的强度的条件下,模具的厚度应尽量减薄,规格应尽量减少。
但为了安装和调整方便,模具的厚度尺寸应尽量可能系列化,便于管理和使用,一般模具的厚度按下述数值(单位:
mm)选用:
20,25,30,40,50,60,70,80,90,100,110。
考虑标准化及强度等因素,将H放大,取H=80mm。
4.5模具入口处圆角半径的确定
模具入口处圆角是指被挤压金属进入工作带时,模具工作端面与工作带表面间形成的拐角。
这个拐角若尖棱角时,挤压过程中则易开裂、压堆,从而改变模孔尺寸,难以保证挤压制品的尺寸精度,因此必须采用过渡圆角。
制作入口圆角半径,还可以防止低塑性合金在挤压时;
表面产生裂纹,减小金属流入模孔时的非接触变形。
但圆角增大接触摩擦面积,引起挤压力增加。
表4-4模具入口处圆角半径r/mm
铝合金
紫铜、黄铜
白铜
镍合金
镁合金
铜钛合金
入口圆角处
0.40~0.75
2~5
4~8
10~15
1~3
3~8
由表4-4可以选取模具入口圆角半径为r=3mm。
4.6模具出口部位结构及尺寸
模具的出口部分是保证制品顺利通过模具并确保表面质量的重要通道。
模具出口部位又称为模口空刀,也是指模具出口尺寸大于模具工作带对应的模孔部分。
模孔空刀既要保证模具工作带强度,又要变与模具的加工制作,同时使制品能顺利导出模孔而不刮伤其表面。
若模具空刀尺寸过大,会大大削弱工作带强度,因其工作带过早变形和压塌,明显降低模具的使用寿命。
因此,对于圆棒形管、棒挤压模来说,可按以下方式选取,空刀直径为:
(4-2)
d—模孔直径。
所以模具空刀直径为:
=8.08+(3~5)mm=11.08~13.08mm
这里可取
一般情况下,对于其他模孔形状的挤压模孔空刀可选用比模孔边线扩大距离
可取1.5~2.5mm的形式,这里取
=2mm。
第五章棒材模强度校核
对于多孔棒材模,需要对模孔之间和模孔与模具外径圆周之间的危险断面进行强度校核。
多孔棒材模的剪切强度计算公式如下:
≤
(5-1)
Q模具上承受的总压力,一般取Q=0.8P,有时为了安全起见,可取Q=P;
P挤压机的公称压力;
rx各模孔均布的同心圆半径;
d棒材直径;
n多孔模的模孔数;
[]模具材料允许的抗剪切强度,在400℃时,4Cr5MoSiV1钢取[]=(0.5~0.6)b,b由表5-1查得,则[]=(0.5~0.6)1360MPa=680~816MPa,取[]=816MPa;
H模具允许的最小厚度。
由上式可得到:
(5-2)
根据设计条件及计算,已知P=19.6MN,rx=
,H=80mm,d=8mm,n=3,则有
,则校核通过,设计合理。
表5-1常用挤压工具钢及其机械性能
牌号
试验温度℃
力学性能
b
MPa
0.2
%
ak
HB
kJ/m2
热处理制度
650
20
400
450
500
550
600
1630
1360
1300
1200
1050
825
1575
1230
1135
1025
855
710
5.5
6
7
9
12
10
45.5
52
56
58
67
290
1050℃淬火,625℃在油中回火2小时
第六章模具图
总结
本次设计的是生产
8mm的圆棒线材的三模孔挤压模具。
设计的主要工作包括对挤压的相关介绍、挤压模具的结构设计(主要包括确定模具材料、模孔尺寸的确定、工作带长度的确定、模具的外形尺寸的确定、模具入口处圆角半径的确定、模具出口部位结构尺寸的确定、模孔的合理配置和强度校核)。
本次课程设计采用同组协作共同设计的方法,每个人负责自己擅长的领域,这充分体现了团队合作精神。
本次课程设计尚有很多不足和有待完善的地方。
本次设计中由于相关条件的限制,本次设计的精度仍有待提高;
其次就是本次设计的挤压模具没有经过DEFROM软件模拟棒材的挤压过程,所以具体效果仍未知。
参考文献
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